上海地区高温时空分布特征及对农作物影响分析

周 涛

(上海市金山区气象局,上海201508)

随着气候变化和人类活动的影响,极端天气气候事件频繁发生,其中尤以夏季高温引人注目,高温对人类生产、生活和健康造成了极大影响,2003 年的高温热浪席卷全球,欧洲多地引发关联死亡事件[1],2013 年我国东中部出现大范围持续高温,多地极端高温突破历史极值[2]。 联合国政府间气候变化专门委员会(IPCC)第五次评估报告指出,人类活动造成的全球变暖导致过去130 年全球升温0.85 ℃[3]。 国内外学者针对高温热浪的研究已持续几十年,研究一致表明,全球大部分地区高温热浪的发生频次、强度和持续时间都呈上升趋势[4-8];叶殿秀等[9]对中国近50 年的高温热浪时空变化特征进行了分析,结果表明,中国高温热浪范围在不断扩大;谈建国等[10]对中国主要省会的高温热浪进行了分析,结果发现长江流域为高温热浪的频发区,但地区间的高温呈现出不同的季节内分布特征。

上海位于长江下游末端,属于亚热带季风性气候,20 世纪90 年代以来,伴随经济迅猛发展,人口数量急剧上升,截至2017 年,上海常住总人口已达2 424 万(较2000 年增长超50%)[11],与此同时,上海夏季高温也出现了加剧趋势[12]。 然而,上海各区之间城市化进程和人口密度差异较大,其中外环内区域(市中心及市北地区)经贸发达、高楼林立、人口密集,城市热岛效应明显,而周边郊区(奉贤、金山、崇明等地)情况则相反。 近年来,上海各区之间夏季高温日数以及高温极端程度的差异也趋于加大[13],侯依玲等[14]分析了上海热岛效应的年代际演变,发现年平均热岛中心有向南转移的趋势;姜荣等[15]利用极端高温指数分析上海城市高温热浪的时空变化特征,得到了市区极端高温现象明显、而南北远郊(金山、奉贤、崇明)不明显的结论。 目前,针对上海的高温研究主要集中在高温的气候特征、环流背景[16]以及各区域间高温时空特征的定性分析[17],对于城郊间高温特征的差异分析及其相互关系的研究较少且不太深入。 本研究从上海市区、近郊和远郊三个不同发展区域入手,研究上海近40 年(1981—2018 年)高温的时空发展规律及相互间变化关系,为上海市郊间的夏季高温判断与预估提供技术依据,也为上海土地规划、城市发展、农业结构调整等提供技术参考。

1 资料来源与方法

1.1 资料来源

选取上海市11 个国家一般气象站近40 年(1981—2018 年,下同)逐日气温历史资料,包括日平均气温、日最高气温(来源于上海市气象档案馆)。 其中,徐家汇站位于市区,20 世纪90 年代开始,包括徐汇、浦东在内的中心城区城市发展进入快车道,可代表中心城区;松江站位于城郊结合部,2002 年以后,城市拓展逐渐向五轴两面扩展(闵行、松江、嘉定、青浦等)延伸[18],上述区域城市用地迅速拓展,城市热岛效应趋于明显[19],可代表近郊;金山站位于上海最南端,与最北端的崇明类似,常住人口和城市用地发展相对较慢,可代表远郊。

1.2 统计方法

中国气象局将高温定义为日最高气温≥35 ℃,将日最高气温≥35 ℃的天数定义为高温日数[20]。 本研究用Excel、Fortran 和Grads 软件对高温日数进行统计和绘图,用气候倾向分析法[21]分析高温日数的气候变化趋势,用Mann-Kendall 检验法[22](简称M-K)对上海不同区域高温日数的跃变进行突变检验,用Morlet 小波分析法[23]对不同区域内高温日数的波动进行周期分析,用ArcGIS 插值法[24]分析高温日数的空间分布。

2 结果与分析

2.1 高温时间变化特征

2.1.1 年际变化

近40 年,上海地区年高温日数分布为:市区最多,近郊次之,远郊最少。 市区共659 个高温日,年平均高温日17.3 d,最早出现在5 月9 日(1981 年的35.0 ℃),最晚出现在9 月21 日(2010 年的35.3 ℃);近郊共477 个高温日,年平均高温日12.6 d,最早出现在5 月9 日(1981 年的35.1 ℃),最晚出现在9 月21日(2005 年的35.5 ℃);远郊共260 个高温日,年平均高温日6. 8 d,最早出现在5 月17 日(2018 年35.5 ℃),最晚出现在9 月7 日(1995 年的36.4 ℃)。 对上海各区域的高温日数进行线性拟合,求其线性倾向率,并用F检验进行检验,结果表明,市区、近郊和远郊的年高温日数线性倾向率均为正值,且通过了α=0.05 的显著性检验,其中市区和近郊高温日数的年际变化较大,且上升速度快,线性倾向率每10 年为6.5 d;远郊高温日数的年际变化较小,上升速度平缓,线性倾向率每10 年仅2.3 d。 2000 年之前,市区年高温日数多于近郊和远郊,而近郊和远郊间高温日数相当;2000 年之后,市区高温日数虽仍多于郊区,但近郊高温日数增速明显加快(快于市区和远郊),甚至出现部分年份(2004 年、2009 年)近郊年高温日数多于市区的情况;而市区和远郊之间的年高温日数的差异始终比较明显(图1)。

2.1.2 月变化

上海高温日数逐月分布规律由多到少依次为7 月(占50%)、8 月(占30%)、6 月、9 月和5 月(仅1%),上海地区各月高温日数均呈现从市区向远郊逐级递减特征(图2)。

2.1.3 旬变化

上海5 月上旬—9 月下旬均可能出现≥35 ℃的高温天气,从逐旬分布可见,市区、近郊和远郊的高温日数均呈现单峰形态走势,其中7 月上旬—8 月中旬为高温的频发期(超80%),此时对应上海的盛夏时节,第一峰值出现在7 月下旬,第二峰值出现在7 月中旬,此时正处于副热带高压第三次北跳(华北雨季)时期。 从区域分布来看,上海地区各旬内高温日数同样呈现从市区向远郊逐级递减特征,其中7 月中旬至8 月中旬,市区与近郊间的高温日数差异最大(近50%),而6 月下旬至8 月下旬,近郊与远郊间的高温日数差异最大(超50%)。 从20 世纪90 年代中期开始,市区和近郊在9 月中上旬出现高温的概率明显增大,且表现为连续高温特征(例如1995 年、2003 年和2005 年),俗称“秋老虎”,而远郊9 月却鲜有出现(图3)。

2.1.4 突变点

由图4 UF 曲线可见,上海地区年高温日数总体呈现波动上升趋势,其中市区(图4a)UF 和UB 相交于1992 年,UF 于1994 年超过0.05 置信区间,2000 年之后UF 始终保持在显著性水平0.05 临界线以上,说明1992 年以后市区高温增加显著。 近郊(图4b)UF 和UB 相交于1999 年(较市区晚),2004 年UF 超过0.05 置信区间,近郊高温日数的突变点在1999 年。 远郊(图4c)UF 和UB 共有两个交点,分别为1987年和1999 年(未通过显著性检验),表明上海远郊高温日数虽然呈增加趋势,但增加趋势比较平缓,突变特征不显著。

2.2 高温空间变化特征

上海年平均高温日数的空间分布呈现西北多东南少的特征,市区、近郊和远郊间的年平均高温日为4.9—17.3 d,区域差异明显,市区多于近郊,近郊多于远郊,同一经度上高纬多于低纬(崇明除外),同一纬度上内陆多于沿海,其中高值中心位于市区,年均高温日数达17.3 d,远郊的浦东惠南为低值区,每年仅4.9 d(图5a)。

上海连续最长高温日数的空间分布总体与年平均高温日数的分布较为类似,高值中心也位于市区(19 d),但除浦东外,市区与近郊间在连续最长高温日数上的差异并不大,低值区同样位于远郊的浦东惠南(10 d)(图5b)。

上海极端最高温度的阈值为39.9—41.2 ℃,其中值得注意的是,上海多年极端最高温度的高值区并非位于市中心,而是上海西南近郊的松江(41.2 ℃),低值区则位于上海北部远郊的崇明(39.9 ℃)(图5c)。

2.3 高温日数的周期变化

图6 的Morlet 小波分析结果显示,上海年高温日数都存在周期性,从整体来看,周期震荡信号最强的是2004 年。 但不同区域的周期特征却各不相同,由图6a 显示,1996 年以前,市区有10—18 a 的主周期,1996 年以后为7—15 a 的主周期,2012 年转变为3—6 a 的次周期。 由图6b 显示,在2000 年之前,近郊有10—16 a 的主周期,2000 年之后该周期特征消失,2012 年转变为3—6 a 的次周期。 由图6c 显示,远郊有9—15 a 的主周期,该周期在整个时段内表现非常稳定;从1995 年开始,出现1—4 a 的次周期尺度,2012年转变为3—6 a 的次周期。

由上述分析可见,从2012 年开始,市区、近郊和远郊3—6 a 的周期信号最强,由此推算,2020 年、2023—2025 年以及2028—2030 年为凉夏期(高温日数偏少),2021—2022 年和2026—2027 年转为暖夏期(高温日数偏多)。

2.4 高温对农作物的影响分析

2.4.1 水稻

水稻在孕穗期至扬花期对高温最敏感的时期,灌浆结实期为次敏感期。 孕穗期高温导致每穗颖花数、实粒数的减少;抽穗扬花期高温影响花粉活力降低,花粉管开裂受阻,花粉萌芽率降低,结实率明显降低;灌浆期高温加快灌浆速率,缩短灌浆持续期,造成秕谷粒增加,千粒重下降,产量和品质明显下降[25-27]。 上海地区早熟稻(国庆稻)成熟时间主要集中在9 月上中旬[28],孕穗期至扬花期常年在7 月中旬至8 月上旬,期间遇到高温的概率高。

2.4.2 蔬菜

高温可导致小白菜的产量下降,随高温持续时间的增加,叶柄长度、卷叶率逐渐增加,高温使小白菜粗纤维含量升高[29]。 随着高温日数的增加,黄瓜的果径、产量、含水率呈减少的趋势[30]。 高温也对黄瓜植株的生理指标及代谢(光合和叶绿素荧光参数,细胞生物膜和保护酶活性,游离脯氨酸、可溶性蛋白质和糖含量等)产生影响[31]。

由此可见,高温对农作物的生长、产量和生理等具有明显影响,根据上海地区高温日数的时间分布特征,高温日数呈增加的态势,上海地区5—9 月份农作物应种植耐高温的品种。 高温日数的空间分布为近郊明显多于远郊,在崇明、金山、浦东南部、奉贤南部等远郊遇到高温日数相对较少,早熟稻和蔬菜等农作物宜种植在远郊,近郊种植常规稻和耐高温的作物。

3 结论与讨论

3.1 上海高温日数的时空分布特征明显。 其中年际变化特征突出且呈上升趋势,市区高温日数的增速最快,近郊其次,但21 世纪后近郊高温日数有加速上升趋势,这可能是由于盛夏季节,上海盛行西南风,近郊受上游热源输送影响,升温明显快于市区导致,远郊高温日数增速最缓,而远郊相对独特的下垫面特征(海湾),受季风海洋性气候影响明显,而相对缓和的炎热酷暑天气对农业生产较为有利。

3.2 上海高温日数具有明显的季节性特征。 上海市高温从5 月逐渐开始出现,7 月达到峰值,9 月开始回落至高温结束。 其中夏季(6 月下旬—8 月下旬)近远郊之间的高温日数差异明显,除城市热岛效应外,还由于此时上海位于副高南侧控制时(6 月、8 月),地面主导风向多为东到东南风,或由于日变化因素(7月、8 月),东南远郊由于温度梯度导致风向逐渐转为南到东南风,其东向风的“降温”作用使其白天升温乏力,而市区、近郊位于内陆,受郊区下垫面阻隔,降温作用已明显削弱。

3.3 上海高温日数的周期特征明显。 区域之间虽震荡周期有所差异,长周期变化幅度大,但2012 年开始,3—6 a 的短周期变化规律表现最为明显。

3.4 市区和近郊高温日数在20 世纪90 年代先后出现一次突变,近郊突变年份晚于市区,突变发生后,两地气温上升趋势更加明显,但远郊却未现突变,这反映了在全球变暖的大背景下,虽城市化进程不断加快,但远郊高温日数仍未迎来爆发式增加。

3.5 上海高温日数的空间分布呈现“市区多、郊区少”特征,这除了与城市发展、能源消耗、建筑面积、人口密度等因素有关外,还受下垫面特征、风向风速等条件影响。

3.6 上海地区5—9 月份农作物应种植耐高温的品种,早熟稻和蔬菜等农作物宜种植在崇明、金山、浦东南部、奉贤南部、松江南部等远郊,近郊种植常规稻和耐高温的作物。